[理学]镧系和锕系元素

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1、(f-BlockElements)镧系元素和阿系元素重点掌握1.镧系元素无论是在水溶液或固体化合物中正常氧化态都是+32.镧系收缩及其产生的影响3.镧系元素离子的颜色通常与未成对电子数有关。4f亚层未充满的镧系元素离子，颜色主要是由于4f亚层中的电子跃迁所引起的周期表中第57号元素镧（La）到第71号元素镥（Lu）共15种元素统称为镧系元素（lanthanideelements，缩写为Ln）；第89号元素锕（Ac）到第103号元素铹（Lr）共15种元素统称为锕系元素（actinideelements，缩写为An）。镧系元素与IIIB族钇（Y）的性质很相似，在自然界中常共生于同一

2、矿床中，所以常把钇和镧系元素统称为稀土元素（rareearthelements，用RE表示）。原子核的稳定性1.电子构型镧系元素原子的最外层和次外层电子的构型基本相同，从Ce(铈)开始，新增加的电子先填充在4f层上，当4f填满以后，再填入5d层。f电子层有7个轨道，每个轨道可容纳2个电子，因此，在镧以后出现的14种元素，称为第一内过渡系或4f过渡系。同样在Ac以后，5f轨道也会形成第二内过渡系或5f过渡系。由于镧系元素原子最外面两层电子结构相似，只是4f内层的电子结构不同，因此它们的化学性质非常相近。镧系元素镧系元素第一个f电子在铈原子出现，随着原子序数增加，4f轨道中电子的填

3、充出现两种类型：[Xe]4fn6s2和[Xe]4fn-15d16s2。La的价电子构型为4f05d16s2，Ce为4f15d16s2，Gd为4f75d16s2，Lu为4f145d16s2，其余镧系元素原子为4fn6s2。镧系元素原子的电子构型按照哪一类型排列，符合洪特规则的特例。一般情况下，等价轨道全充满、半满或全空的状态是比较稳定的。原子序数元素符号价层电子结构57镧La5d16s258铈Ce4f15d16s259镨Pr4f36s260钕Nd4f46s261钷Pm4f56s262钐Sm4f66s263铕Eu4f76s264钆Gd4f75d16s265铽tèTb4f96s266

4、镝Dy4f106s267钬Ho4f116s268铒Er4f126s269铥Tm4f136s270镱Yb4f146s271镥Lu4f145d16s22.氧化态+3氧化态是所有镧系元素的特性。有些镧系元素还表现出+2或+4氧化态，但一般都没有+3氧化态稳定。Ce、Pr、Tb和Dy存在+4氧化态，而Sm、Eu、Tm和Yb存在+2氧化态。从4f电子层结构来看，当4f层保持或接近全空、半满或全充满的状态时比较稳定。所以Ce、Pr、Tb(铽)和Dy常呈现出+4氧化态，而Sm、Eu、Tm(铥)和Yb则常呈现出+2氧化态。少数+4氧化态的固体化合物虽已制得，但是只有+4氧化态的铈能存在于溶液中

5、，并且是很强的氧化剂。一般镧系元素+2氧化态是固体化合物，溶于水后很快氧化为+3氧化态。只有Sm2+、Eu2+和Yb2+离子能存在于溶液中，且都是强还原剂。3.原子半径和离子半径这种镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增大而逐渐减小的现象称为镧系收缩。这是因为4f电子对核的屏蔽作用不如内层电子，因此随着原子序数增加，有效核电荷增加，核对最外层电子的引力增强，使得原子半径和离子半径逐渐减小。LaLu铕和镱出现反常现象，这是因为它们的电子构型分别是半充满4f7和全充满4f14，这两种结构比4f电子层未充满的其他状态对核电荷有更大的屏蔽作用。镧系元素的原子半径除Eu和Yb反常外

6、，从La到Lu略有缩小的趋势，但缩小程度不如离子半径。这是由于镧系元素原子的电子层比相应的离子多一层，它们的最外层是6s2，4f居于倒数第三层，它对原子核的屏蔽作用很强，接近100%，因而镧系元素原子半径收缩的效果就不明显了。收缩缓慢是指相邻两个元素而言，两两之间的减小幅度不如其他过渡元素两两之间的减小幅度大，使镧系元素内部性质太相似，增加了分离困难；使镧系元素后的第三过渡系的离子半径接近于第二过渡系同族，如Zr4+(80pm)和Hf4+(81pm),Nb5+(70pm)和Ta5+(73pm)，Mo6+(62pm)和W6+(65pm),化学性质相似，矿物中共生，分离困难；使Y的

7、原子半径处于Ho和Er之间，其化学性质与镧系元素非常相似，在矿物中共生，分离困难，在稀土元素分离中将其归于重稀土一组。4.离子的颜色原子序数离子4f电子数颜色颜色4f电子数离子原子序数5758596061626364La3+Ce3+Pr3+Nd3+Pm3+Sm3+Eu3+Gd3+01234567无无黄绿红紫粉红淡黄浅粉红无无无淡绿淡红淡黄浅黄绿浅粉红无1413121110987Lu3+Yb3+Tm3+Er3+Ho3+Dy3+Tb3+Gd3+7170696867666564离子的颜色通常与未成